liczba protonów, Z

Niezwykłe przemiany egzotycznych nuklidów

Marek Pfützner

Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytet Warszawski

Świder, 7 maja 2004

„Poziomy” materii

Atom 10^-10 m = 1 Å Kryształ

10^-9 m = 1 nm

Jądro

10^-14 m = 10 fm

Nukleon (proton, neutron)

10^-15 m = 1 fm

Kwarki, elektrony elementarne ? punktowe ?

Nuklidy

Nuklid (atom, zazwyczaj obojętny elektrycznie) : Z protonów + N neutronów + Z elektronów

Liczba Z decyduje o własnościach chemicznych pierwiastki chemiczne

Różne liczby N izotopy

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

1 5 9

1 5

Mapa nuklidów

wodór hel

izotopy węgla:

12C, ¹³C

Nuklid pozbawiony części (lub wszystkich) elektronów jon

Nuklidy trwałe

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

287 nuklidów, w tym

83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92)

Wszystkie nuklidy

Z = 2 Z = 8

Z = 20 Z = 28

Z = 50

Z = 82

N = 2 N = 8

N = 20 N = 28

N = 50

N = 82

N = 126

liczba neutronów, N

liczba protonów, Z

- trwałe

- β⁺ - β^- -α

- rozszczepienie

- p

Przemiana β⁺

p → n + e⁺ + ν_e Emisja p

ZX → _Z-1Y + p

Przemiana β^-

n → p + e^- + ν¯_e

Emisja α

ZX_N → _Z-2Y_N-2+ α

„Terra incognita”

czeka na odkrycie i zbadanie

Nuklidy egzotyczne

W warunkach ziemskich niezwykle trudne do wytworzenia i bardzo nietrwałe.

Izotopy o wielkim niedoborze lub nadmiarze neutronów, czyli nuklidy bardzo dalekie od ścieżki trwałości.

Przykłady :

Jony o wielkim ładunku elektrycznym, np. jądra ciężkich pierwiastków całkowicie odarte z elektronów orbitalnych.

Od niedawna wytwarzane i badane w laboratoriach dzięki nowym technikom :

przyspieszania ciężkich jonów do energii relatywistycznych, separacji produktów reakcji jądrowych,

utrzymywania jonów w pierścieniu kumulacyjnym.

Dwa przykłady

1. Niezwykła przemiana beta, która może zachodzić tylko wtedy, gdy atom pozbawiony jest wszystkich elektronów.

Ilustracja nowoczesnych metod doświadczalnych :

dwa zjawiska po raz pierwszy zaobserwowane w GSI.

2. Nowy rodzaj promieniotwórczości, który może ujawnić się tylko w nuklidach skrajnie neutrono-deficytowych.

Zwykła przemiana beta

Przemiana β^-

n → p + e^- + ν¯_e

Energia nuklidu

+ 0 N A Z

X

Wydzielona energia Q jest unoszona przez elektron i antyneutrino, które uciekają z nuklidu końcowego.

e

ν

e N

A

Z₊₁

Y

+ m Q

Przemiana może zachodzić do różnych stanów jądra końcowego.

Przypadek ¹⁸⁷ Re

Energia nuklidu

keV 7

.

= 2 Q

+ 0 112 187

75

Re

m

+

1 111 187

76

Os

2+

5

2−

1 2−

3

0

keV 75 . 9

Półokres rozpadu obojętnego ¹⁸⁷Re : T_1/2 = 42.3·10⁹ lat

Możliwa przemiana tylko do stanu pod- stawowego ¹⁸⁷Os

Przemiana zjonizowanego ¹⁸⁷ Re

Energia [keV]

+ 0 112 187

75

Re

2+

5

m

+

1 111 187

76

Os

2−

1 0

2−

3 9.75keV

0 450

2.7 keV

Przemiana zjonizowanego ¹⁸⁷ Re

Energia [keV]

+ 0 112 187

75

Re

2+

5

m

+

1 111 187

76

Os

2−

1 ₀

2−

3 9.75keV

0 450

2.7 keV

Zwykła przemiana β nie jest teraz możliwa !

2−

1 2−

3

m

76

111 187

76

Os

+

Btot (Os)

m

75

112 187

75

Re

+

2+

5

Btot (Re)

Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.

Przemiana zjonizowanego ¹⁸⁷ Re

Energia [keV]

+ 0 112 187

75

Re

2+

5

m

+

1 111 187

76

Os

2−

1 0

2−

3 9.75keV

0 450

m

75

112 187

75

Re

+

2+

5

2−

1 2−

3

m

76

111 187

76

Os

+

Btot (Re)

2.7 keV

Zabieramy wszystkie elektrony orbitalne.

Zwykła przemiana β nie jest teraz możliwa !

2−

1 2−

3

m

75

111 187

76

Os

+

BK (Os)

e

ν

Ale emitowany elek- tron może zatrzymać się na pustym orbitalu atomowym !

63 keV

Przemiana beta do stanu związanego

Laboratorium GSI Darmstadt

SIS FRS ESR

Hala

eksperymentów Źródło jonów

Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon

(8 – 20 % c) Jony o energii

do 1 GeV/nukleon (≈ 90 % c)

0 50 m

Pierścień kumulacyjny ESR

Zakrzywiające pole magnetyczne Obwód 108 m

Wysoka próżnia (10^-11 Torr)

Czas przechowywania jonów do kilku godzin

Fragment pierścienia ESR

Pomiar m/q w pierścieniu ESR

(m/q)₁ > (m/q)₂ > (m/q)₃ > (m/q)₄

Detekcja szumów Schottky’ego

∆f ∆(m/q) ∆v

— = -f m/q vα ——— + — (1 - α γ²) Chłodzenie

elektronowe

}

P rzykł ad w id m a cz ęst o ści szu m ów

150m,g 65+

Dy

150 65+

Tb

143 62+

143m,g 62+Eu Sm

157 68+

Er

127 55+

Cs

157 68+

Tm

173 75+

166 72+

166 72+

180 78+Pt

Re Ta Hf

152 66+

152 66+ Ho Dy

159 69+

159 69+

136 59+

Yb Tm Pr

W

164 71+

171 74

Lu

164 71+Hf

145 63+

122 53+

Gd I

175 76+

161 70+

138 60+

161 70+

168 73+

168 73+

Os

W Ta

Nd Yb Lu

149 65+

Tb

156 68+

156 68+

Er Tm

154 67+

154 67+

Ho Er

163 71+

147 64+

147 64+

147 64+

TbDy Gd

Lu

165 72+

165 72+

172 75+

163 71+

170 74+

Ta Hf Re

W Hf

100002000030000400005000060000700008000090000100000 876543210 masa znana masa nieznana

Częstość [Hz]

Intensywność

145 63+g

G d

G d

(1 jon)(1 jon)

Pomiar ¹⁸⁷ Re w pierścieniu ESR

3. Jony krążą przez zadany czas ( 0 – 5 h ) i ulegają przemianie : tworzy się ¹⁸⁷Os⁷⁵⁺.

4. Wstawienie tarczy gazowej (strumień argonu), zdarcie elektronu z ¹⁸⁷Os^{75+ 187}Os⁷⁶⁺.

5. Pomiar szumów Schottky’ego : detekcja jonów ¹⁸⁷Os⁷⁶⁺ .

1. Wstrzyknięcie wiązki ¹⁸⁷Re⁷⁵⁺ (10⁸ jonów).

350 MeV/u

2. Chłodzenie elektronami (ok. 30 s).

Wynik eksperymentu

Liczba jonów ¹⁸⁷Os⁷⁶⁺ w funkcji czasu

Półokres rozpadu obojętnego ¹⁸⁷Re : T_1/2 = 42.3·10⁹ lat

Wniosek :

Półokres rozpadu całkowicie zjonizowanego ¹⁸⁷Re :

T_1/2= 32.9 ± 2.0 lat

Jeśli ¹⁸⁷Re pozbawimy elektronów, to rozpada się miliard (10⁹) razy szybciej !

Kosmiczny zegar

187Re

187Os

Długożyciowe nuklidy, jak ¹⁸⁷Re, pomagają wyznaczyć wiek naszej Galaktyki.

W trakcie swej historii ¹⁸⁷Re mógł znajdować się w warunkach b. wysokiej temperatury (wnętrza gwiazd), gdzie był zjonizowany. Zegar oparty na tym nuklidzie przyspiesza wtedy do 10⁹ razy.

Efektywne tempo zaniku ¹⁸⁷Re zależy od :

– T_1/2 w stanie obojętnym i zjonizowanym (fizyka jądrowa), – chemicznej ewolucji Galaktyki (astrofizyka).

Obecny stan wiedzy :

T^eff_1/2 (¹⁸⁷Re) ≈ 25 Gy wiek Galaktyki : T_G > 12 Gy

Chwila odprężenia

Na skraju neutrono-deficytowym

Z = 50

Z = 82

N = 50

N = 82

Gdy przesuwamy się w stronę malejącej liczby neutronów, osiągamy tzw. linię odpadania protonu, poza którą protony przestają być związane w jądrze.

Emisja p

ZX → _Z-1Y + p

Występuje tu zjawisko promieniotwórczości protonowej.

Odkryto je w GSI w 1981 r. badając ¹⁵¹Lu.

Zachodzi tu kwantowe „przenikanie przez ścianę” !

p

p 1 MeV

E

151

Lu

Model „minigolfowy”

Sytuację cząstki naładowanej w jądrze dobrze ilustruje model „minigolfowy”. Proton, mimo, że ma dodatnią energię potencjalną nie może łatwo opuścić jądra – musi pokonać barierę potencjału.

Prawdopodobieństwo tunelowania (półokres rozpadu) bardzo silnie zależy od grubości bariery (energii cząstki).

Promieniotwórczość dwuprotonowa

W 1960 r. przewidziano możliwość przemiany, w której z jądra wyrzucane są jednocześnie dwa protony. Należy jej szukać w bardzo neutrono-

deficytowych nuklidach o parzystej liczbie Z, w których emisja jednego protonu jest energetycznie niemożliwa.

Emisja 2p

ZX → _Z-2Y + 2p

2p

N A Z

X

p N

A

Z₋⁻₁¹

X + m

p N

A

Z₋⁻₂²

X + 2 m

Przy pomocy obliczeń teoretycznych wytypowano najlepszych kandydatów : ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni, ⁵⁴Zn .

Jak rozpada się ⁴⁵ Fe ?

β

45

Fe

45

Mn

44

Mn

43

Cr

19 20 21 N

26

25

24

23 Z

43

V

45

Cr β

β

2p

Najbliższy trwały 7 neutronów dalej

Aby doszło do emisji 2p oba protony muszą przetunelować przez barierę zanim zajdzie przemiana β⁺

1 µs < T_2p < 10 ms; E_2p ≈ 1 MeV

Wyzwanie dla eksperymentu

Bardzo trudno wytworzyć ⁴⁵Fe :

można liczyć najwyżej na kilkanaście atomów.

Dostrzec słaby sygnał (1 MeV) kilka µs po zatrzymaniu ⁴⁵Fe (1000 MeV).

Odróżnić 2p od β⁺.

Jak dobrać się do nuklidów na skraju mapy ?

Akcelerator ciężkich jonów

E > 50 MeV/u

tarcza

Nie można wyświetlić obrazu.

Produkcja

Metoda fragmentacji ciężkich jonów

Układ pomiarowy

Detekcja

Każdy jon wychodzący z separatora jest identyfikowany w locie !

Magnetyczny separator produktów

Selekcja

Laboratorium GSI Darmstadt

SIS FRS ESR

Hala

eksperymentów Źródło jonów

Jony o energii 3 – 20 MeV/nukleon

(8 – 20 % c) Jony o energii

do 1 GeV/nukleon (≈ 90 % c)

0 50 m

FRS : separator fragmentów w GSI

tarcza wiązka jonów

magnes dipolowy

magnes

kwadrupolowy detektory

detektory

Czas przelotu jonu v Tor lotu + pole B B ρ

Strata energii ∆ E w komorze jonizacyjnej Z A/q ≈ A/Z

}

pomiar czasu przelotu (s = 36 m)

Separator FRS

Przykład identyfikacji jonów

Pierwsza obserwacja trzech nowych nuklidów : ⁴²Cr, ⁴⁵Fe i ⁴⁹Ni.

GSI, 1996.

Stosunek masy do ładunku, A/Z

Ładunek Z

Detekcja rozpadu ⁴⁵ Fe

Detektor promieniowania γ

(NaI)

Detektory krzemowe

511 keV

511 keV

Przemiana β⁺ cząstka + 2 fotony

Emisja 2p

!

Cyfrowa analiza sygnałów zapis pełnej historii

zdarzeń przez 10 ms

Komputer sterujący

taśma mag.

Układ identyfi-

kacji jonów Selektywne wyzwalanie

• Lipiec 2001 : 5 dni pomiaru

• Fragmentacja jonów

58Ni, E = 650 MeV/u

• Separator FRS 6 jonów ⁴⁵Fe

Z ^45Fe

44V

A/q

Wyniki eksperymentu w GSI

Interpretacja : emisja 2p jest głównym (80%) sposobem rozpadu ⁴⁵Fe

E_2p = 1.1(1) MeV T_1/2 = 3.4^+3.4 ms

-1.1

• Zaobserwowano 5 skorelowanych rozpadów:

4 zdarzenia : E ≈ 1 MeV (bez γ) 1 przypadek : E ≈ 10 MeV + γ

0 1 2 3 4 5 6

0 1

Zliczenia

Energia [MeV]

1.0 1.2

0 1

Energia wydzielona w dete- ktorze po implantacji jonu ⁴⁵Fe

Eksperyment w GANIL (Francja)

Zaobserwowano :

12 zliczeń w wąskim piku żadnych cząstek β i γ w koincydencji

Potwierdzenie wyniku z GSI E_2p = 1.14(5) MeV

T_1/2 = 4.7^+3.4_-1.4 ms

• Lipiec 2000 : 36 godz. pomiaru

• Fragmentacja jonów :

58Ni, E = 75 MeV/u

• Separator LISE 22 jonów ⁴⁵Fe

Czy na pewno 2p ?

W eksperymencie zmierzyliśmy tylko sumaryczną energię wydzieloną w przemianie. Skąd wiemy, że była to emisja 2p ? Nie zarejestrowaliśmy przecież tych dwu cząstek oddzielnie.

Hipotezy alternatywne :

Emisja jednego protonu E_p = 1 MeV : T_1/2 < 1 × 10^-15 s . Wykorzystujemy dotychczasową wiedzę i obliczenia teoretyczne.

Emisja cząstki α E_p = 1 MeV : T_1/2 ≈ 10¹⁰ s .

Przemiana β⁺ prawdopodobieństwo ucieczki fotonów γ : ≈10^-5 , przewidywana energia ≈ 10 MeV.

Przewidywanie dla emisji 2p :

Obliczona energia rozpadu : 1.15 ±0.09 MeV.

Następne kroki

Konieczna jest detekcja obydwu emitowanych protonów oddzielnie i określenie korelacji między nimi (np. rozkładu kątów).

Poszukiwanie innych nuklidów podlegających rozpadowi 2p.

?

Pytanie fizyczne :

czy oba protony uciekają niezależnie od siebie,

czy też tworzą wirtualną cząstkę (diproton) na czas przejścia przez barierę potencjału ?

Podsumowanie

Przyspieszanie ciężkich jonów do dużych energii (> 50 MeV/nukleon) otworzyło nowe kierunki badań.

Dzięki nowoczesnym urządzeniom (separator, pierścień kumulacyjny) można wytwarzać i badać z wielką czułością (pojedyncze atomy !), m.in.:

– wysoko zjonizowane atomy ciężkich pierwiastków,

– nuklidy b. dalekie od trwałości.

Jako ilustrację nowych metod doświadczalnych przedstawiłem dwa ważne wyniki uzyskane w GSI Darmstadt :

– rozpad beta do stanu związanego,

– promieniotwórczość dwuprotonową.

Przykłady innych osiągnięć :

– identyfikacja > 100 nowych izotopów,

– pomiar mas kilkuset nuklidów dalekich od trwałości,

– testowanie QED w silnym polu E.

Podobne techniki badawcze stosuje się też w laboratoriach : – GANIL w Caen (Francja),

– RIKEN k/Tokio (Japonia),

– NSCL w East Lansing (USA).

Planowana rozbudowa GSI

Projekt zatwierdzony do realizacji http://www.gsi.de

Chłodzenie elektronami

⊗ p/p = 10

Δx = 2 mm

Elektronowa chłodziarka

Jak zarejestrować oba protony ?

Pomysł komory dryfowej z odczytem optycznym (prof. W. Dominik)

Planowane intensywności wiązek radioaktywnych

GSI Conceptual Design Report

proces s

proces r proces rp

fuzja termojądrowa w gwiazdach

Liczba neutronów

Liczba protonów

Procesy nukleosyntezy